Akcesoria do częstościomierza cz.2 (preskaler, generator termokompensowany, sonda wysokoimpedancyjna)

Preskaler do częstościomierza - omówienie

Preskaler jest układem dzielnika częstotliwości o wysokiej maksymalnej częstotliwości pracy. Najczęściej stopień podziału preskalera wynosi 2ⁿ, gdzie n jest liczbą naturalną; pozwala to uniknąć sprzężeń między stopniami dzielnika częstotliwości, a tym samym uzyskać najwyższą możliwą częstotliwość pracy układu. W układzie wykorzystano preskaler wchodzący w skład pętli fazowej układu scalonego ADF4007. Maksymalna częstotliwość pracy preskalera wynosi 7,5 GHz. Zmontowany układ pokazany jest na fotografii 10, schemat ideowy na rysunku 11.

Fot.10 Preskaler - zmontowany układ

Wejście sygnału odniesienia komparatora fazy zablokowane jest do masy kondensatorem o niskiej reaktancji w zakresie częstotliwości radiowych. Na wyjściu MUXOUT występuje sygnał z dzielnika częstotliwości. Przeznaczenie wyjścia MUXOUT można zmieniać, podając odpowiednie stany logiczne na wejściach M1, M2. Układ umożliwia uzyskanie stopnia podziału dzielnika częstotliwości 8, 16, 32 lub 64 w zależności od stanów logicznych na wejściach N1, N2.

W opisanym układzie wykorzystuje się stopnie podziału 16 i 64. Gdy wykorzystujemy tylko układ ADF4007, stopień podziału dzielnika wynosi 64, a maksymalna częstotliwość mierzona wynosi około 7,5GHz. Podłączenie wtyku mini jack zmienia stopień podziału preskalera na 16, co przy zastosowaniu zewnętrznego preskalera dzielącego przez 4 pozwala uzyskać całkowity stopień podziału układu wynoszący 64.

Wtyk mini jack zwiera przełącznik znajdujący się w obudowie gniazda, rozłączający głośnik po podłączeniu słuchawek i wraz z inwerterem na tranzystorze T1 zmienia stopień podziału układu ADF4007 na 16.

Zastosowane rozwiązanie pozwala automatycznie wykryć podłączenie zewnętrznego preskalera i umożliwia uzyskanie stałego podziału częstotliwości mierzonej.

Rys.11 Preskaler - schemat ideowy

Układ wyświetla częstotliwość mierzoną bez konieczności przeliczania częstotliwości. Maksymalna częstotliwość pracy częstościomierza wyposażonego w opisany układ zależy od maksymalnej częstotliwości pracy częstościomierza, liczby wyświetlanych cyfr przez częstościomierz oraz maksymalnej częstotliwości pracy obu zastosowanych preskalerów.

W układzie autora maksymalna częstotliwość pracy częstościomierza wynosi około 440MHz, dzielnika częstotliwości zawartego w strukturze układu ADF4007 7,5GHz. Przyjęte rozwiązanie powoduje, że na preskaler ze stopniem podziału równym 16 nigdy nie będzie podawana wyższa częstotliwość niż maksymalna częstotliwość pracy układu ADF4007. Dla stopnia podziału przez układ ADF4007 równego 16 maksymalna częstotliwość zliczana wynosi około 7,04GHz (16*440MHz), co umożliwia z zewnętrznym preskalerem dzielącym przez 4 mierzenie sygnału o częstotliwości maksymalnie 28,16GHz.

W układzie autora maksymalna częstotliwość mierzona wynosi około 14GHz i ograniczona jest maksymalną częstotliwością pierwszego preskalera. Wykorzystany preskaler zewnętrzny pochodzi z konwertera LNB tunera satelitarnego i może być zastąpiony jakimkolwiek zewnętrznym preskalerem o odpowiednio wysokiej częstotliwości pracy i stopniu podziału 4 – fotografia 12.

Fot.12 Preskaler

Złącze mini jack dostarcza również zasilanie 5V do zewnętrznego preskalera. Regułą jest, że na wyjściu preskalera występuje sygnał wielkiej częstotliwości, nawet bez doprowadzonego sygnału wejściowego. Przyczyną tego zjawiska jest wzbudzanie się preskalera, wynikające z dużej czułości jego stopni wejściowych. Po podłączeniu sygnału zewnętrznego o odpowiednio dużej amplitudzie układ pokazuje prawidłową częstotliwość.

Wzbudzenie układu można usunąć, podłączając między masę a wejście układu RFinB opornik o wartości kilkunastu, kilkudziesięciu kiloomów. Opornik należy nalutować na kondensator odsprzęgający C10. Im mniejsza wartość opornika, tym układ trudniej się wzbudza, ale czułość układu jest mniejsza. Ryzyko wzbudzenia minimalizują oporniki 39 omów łączące masy układów. Wejście preskalera zabezpieczone jest dwiema odwrotnie szeregowo połączonymi diodami BAT15-099.

Funkcję zabezpieczającą pełni również wzmacniacz mikrofalowy ERA1. Wzmacniacz ERA1 jest znacznie prostszy do wymiany niż układ ADF4007. Wyjście układu ERA1 obciążone jest tłumikiem 6dB oraz detektorem mierzącym poziom sygnału wejściowego. Rezystor R11 na wyjściu preskalera zabezpiecza wyjście układu ADF4007 przed przypadkowym zwarciem.

Układ zasilany jest napięciem 5V. Napięcie 3,3V konieczne do pracy układu ADF4007 uzyskiwane jest w układzie LM1117 o napięciu wyjściowym 3,3V. Bardzo ważną funkcję w prawidłowym działaniu układu pełni odpowiednio zaprojektowana płytka drukowana, istotne są szerokość ścieżek, grubość oraz typ zastosowanego laminatu. Gniazdem wejściowym jest gniazdo SMA – proste, nie należy stosować w tym miejscu złączy kątowych ze względu na występowanie w nich odbić sygnału znacznie pogarszających dopasowanie impedancji. Złącza kątowe nie powinny być stosowane powyżej 2,5GHz.

Montaż i uruchomienie - akcesoria do częstościomierza

W opisanych układach użyto elementów SMD o rozmiarach 0603, 0805 (rezystory i kondensatory), 1008 (cewki), 1206 (kondensatory odsprzęgające) oraz elementów przewlekanych (kondensatory elektrolityczne, mostek prostowniczy, stabilizator scalony itp.). Oporniki o wartości 0Ω pełnią funkcję zwór. Opisane układy nie wymagają jakiegokolwiek uruchamiania, zmontowane ze sprawnych elementów działają od pierwszego włączenia.

Układ przełącznika sygnałów - schematy i montaż

Układ przełącznika z rysunku 2 zmontowano na jednostronnej płytce drukowanej, schemat montażowy układu pokazany jest na rysunkach 13, 14. Stabilizator scalony 7805 połączony jest krótkim odcinkiem taśmy wielożyłowej. Kondensatory C18, C21 zapobiegające wzbudzeniom stabilizatora scalonego przylutowane są bezpośrednio do wyprowadzeń stabilizatora scalonego. Stabilizator przykręcono do metalowej obudowy urządzenia, pełniącej jednocześnie funkcję radiatora.

Dioda LED sygnalizuje podłączenie zewnętrznego generatora. Szczególną uwagę należy zachować, wlutowując diody BAT62 oraz BAT15-099 ze względu na możliwość odwrotnego jej wlutowania do płytki drukowanej; dotyczy to również pozostałych układów wykorzystujących ten element. Złącze doprowadzające sygnał wzorca zewnętrznego zamontowane jest z tyłu częstościomierza.

Rys.13 Przełącznik sygnału - schemat montażowy układu

Rys.14 Przełącznik sygnału - schemat montażowy układu

Generator termokompensowany - schematy i montaż

Generator termokompensowany według rysunku 6 zmontowano na dwustronnej płytce drukowanej o grubości 0,8mm. Schemat montażowy układu pokazany jest na rysunkach 15, 16. Płytka prototypowa różni się od wersji końcowej, dzięki modyfikacjom położenia ścieżek nie trzeba wykonywać już połączeń drutowych. Szczególną ostrożność należy zachować, montując generator przestrajany napięciem. Generator ma wymiary 2 na 2,5 mm, a napisy pozwalające określić kolejność wyprowadzeń generatora widoczne są dopiero pod szkłem powiększającym.

Rys.15 Generator termokompensowany - schemat montażowy układu

Rys.16 Generator termokompensowany - schemat montażowy układu

W układzie można zmontować zarówno generatory o długości obudowy 2,5, jak i 3,2 mm dopuszczające zasilanie napięciem od 2,5 do 3,3V. Wyprowadzenia układu wykonane są ze szpilek złącza goldpin. Po sprawdzeniu poprawności działania układu na generator termokompensowany należy nanieść kroplę kleju termotopliwego. Klej ten działa jak izolacja termiczna, minimalizując wpływ temperatury zewnętrznej na układ.

Po wlutowaniu modułu generatora do płytki wzorca częstotliwości przeprowadzamy kalibrację generatora, podłączając sygnał zewnętrzny o znanej częstotliwości i kręcąc potencjometrem przestrajającym tak, aby uzyskać zrównanie częstotliwości pokazywanej przez miernik z częstotliwością wzorcową. Czynność tę wykonujemy z najdłuższym czasem bramkowania, stosując jako częstotliwość wzorcową sygnał o możliwie najwyższej częstotliwości.

Kalibrację wykonujemy nie wcześniej niż po około 15 minutach od podłączenia generatora, a najlepiej po kilku tygodniach pracy urządzenia. Autor zaleca kupno generatora u renomowanych dystrybutorów podzespołów elektronicznych. Pierwsze układy autor kupił na jednym z zagranicznych portali aukcyjnych.

Niestety, zakupione układy mimo zapewnień sprzedawcy nie były ani generatorami przestrajanymi, ani o podwyższonej stabilności termicznej. Sprzedawca nie widział w tym żadnego problemu, bo przecież „inni klienci nie narzekają”. Dzięki interwencji portalu aukcyjnego pieniądze odzyskano. Płytki drukowane przełącznika sygnałów oraz wzorca częstotliwości są tak zaprojektowane, by można było w nie wlutować układy 74LVC2G74 i 74LVC2G53 w obudowach VSSOP i SM8.

Sonda wysokoimpedancyjna - montaż i schematy

Schemat montażowy sondy wysokoimpedancyjnej pokazano na rysunku 17. Sonda zbudowana jest na dwustronnej płytce drukowanej. Opornik R5 jest rezystorem przewlekanym. Elementy C1, C2; C3, R1 i C12, C13 nalutowane są na siebie na „kanapkę”. Wejście sondy wysokoimpedancyjnej wykonano z igły do szycia (igła ta bardzo dobrze się lutuje). Masę badanego układu podłącza się za pomocą przewodu zakończonego krokodylkiem.

Długość przewodu pomiarowego masy nie powinna przekraczać 6–7cm. Sondę wysokoimpedancyjną należy zamknąć w obudowie ekranującej. Złączem wyjściowym w sondzie autora jest złącze SMA typu kątowego.

Rys.17 Schemat montażowy sondy wysokoimpedancyjnej

Preskaler -  schemat i montaż

Schemat montażowy preskalera pokazany jest na rysunku 18. Układ zmontowano na dwustronnym laminacie szklano-epoksydowym o grubości 0,8mm. Grubości laminatu nie należy zmieniać, gdyż ma wpływ na działanie urządzenia. Układ ten jest zdecydowanie najtrudniejszy w uruchomieniu, przy czym problemem nie jest skomplikowanie układu, a trudności w montażu układu scalonego ADF4007.

Układ ten nie ma wyprowadzeń drutowych. Autor stosuje dwie techniki montażu tego typu układów. W pierwszej z nich cynuje się wyprowadzenia cienką warstwą cyny, zwilża je topnikiem, kładzie układ na PCB i wlutowuje układ lutownicą na gorące powietrze. Układ scalony pozycjonują siły napięcia powierzchniowego. Podczas lutowania nadmuch gorącego powietrza nie powinien być zbyt silny. Resztę płytki można zabezpieczyć taśmą kaponową.

Rys.18 Schemat montażowy preskalera

Druga metoda jest nieco bardziej kłopotliwa, nie wymaga jednak posiadania lutownicy na gorące powietrze. Najpierw pozycjonujemy układ scalony na płytce drukowanej, na róg układu dajemy kroplę roztopionej kalafonii i czekamy, aż kalafonia stężeje. Lutujemy wyprowadzenia znajdujące się na rogach układu scalonego (znajdują się one nieco powyżej pozostałych wyprowadzeń – dodatkowe wyprowadzenia termopadu).

Następnie lutujemy pozostałe wyprowadzenia układu. Oczyszczamy płytkę z kalafonii i sprawdzamy, czy wszystkie wyprowadzenia są przylutowane. W razie wystąpienia błędów poprawiamy poszczególne luty. Bardzo pomocne w szukaniu „niedolutów” jest znajomość napięć na odpowiednich wyprowadzeniach układu scalonego ADF4007. Na wyprowadzeniach 4 i 5 napięcie wynosi 1,8V.

Po wlutowaniu opornika tłumiącego oscylacje R8 spada do około 1,4V. Napięcie na wyjściu MUXOUT wynosi około 1,25V, za rezystorem 120 omów jest o kilka mV wyższe (mierzone multimetrem cyfrowym), jest to reguła (napięcie na wyjściu preskalera mierzymy przed wlutowaniem opornika tłumiącego oscylacje). Po sprawdzeniu poprawności preskalera przylutowujemy thermal pad układu ADF4007. To wyprowadzenie jest dostępne od spodniej strony płytki drukowanej. Częstotliwość wyjściowa generowana przez preskaler przed jego stłumieniem powinna wynosić około 100MHz (podział preskalera równy 64).

Fot.19 Złącze wejściowe preskalera

Napięcie na wejściu wzmacniacza ERA1 (wyprowadzenie oznaczone kropką) powinno wynosić około 2,5V, a na wyjściu 3,5V. W zakresie mikrofalowym bardzo ważne jest, by zastosowane złącza i przewody były odpowiedniej jakości. Tłumienie wnoszone przez te elementy może powodować drastyczne ograniczenie czułości układu. Jako złącze wejściowe najlepiej wykorzystać złącze pokazane na fotografii 19.

Złącze wejściowe SMA preskalera należy przylutować bezpośrednio do płytki drukowanej, a płytkę zamocować do obudowy na złączu oraz za pomocą kołków dystansowych. Wszystkie połączenia sygnałowe wielkiej częstotliwości wykonujemy za pomocą przewodu ekranowanego i za pomocą precyzyjnych złączek żeńskich goldpin. W Elportalu umieszczono materiały dodatkowe do tego projektu.

Na zakończenie autor chciałby podziękować Waldkowi 3Z6AEF za uwagi do tego tekstu.